В. Никитин - В помощь радиолюбителю. Выпуск 20
В генераторе колебаний треугольной формы используются два операционных усилителя: триггер на микросхеме DA1 вырабатывает прямоугольные импульсы типа меандр, которые затем для получения колебаний треугольной формы интегрируются операционным усилителем DA2. Все устройство охвачено положительной обратной связью через резистор R2.
При положительном напряжении на выходе DA1, выходное напряжение интегратора Uвых нарастает. Когда оно достигает выходного напряжения DA1, триггер опрокидывается и на его выходе образуется отрицательное напряжение. Теперь выходное напряжение спадает. За счет интегрирования и большого коэффициента усиления операционного усилителя нарастание и спадание выходного напряжения происходят по линейному закону с периодом повторения:
Генераторы синусоидальных колебаний
Генераторы синусоидальных колебаний звуковой или радиочастоты широко используются в технике и в быту. Задающие генераторы связных, радиовещательных или телевизионных передатчиков, гетеродины радиовещательных или телевизионных приемников представляют собой генераторы синусоидальных колебаний радиочастоты. Различные электромузыкальные инструменты и звуковые сигнализаторы часто состоят или включают в себя генераторы синусоидальных колебаний звуковой частоты.
Любой генератор представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Существуют два необходимых условия, выполнение которых обеспечивает генерацию, — баланс амплитуд и баланс фаз.
Баланс амплитуд предусматривает, что коэффициент передачи замкнутой цепи Кβ, который равен произведению коэффициента усиления усилителя К на коэффициент передачи цепи обратной связи β, должен быть на рабочей частоте равен или больше единицы:
Баланс фаз требует, чтобы суммарный сдвиг фазы сигнала в усилителе и в цепи обратной связи на рабочей частоте был равен нулю или 2π.
Функции усилителя выполняют транзисторные схемы или операционный усилитель, как правило, не содержащие цепей, зависящих от частоты. Цепи же обратной связи весьма многочисленны и обладают частотной избирательностью. Это означает, что их коэффициент передачи зависит от частоты. Таким образом, именно цепь 3, а не усилитель определяет частоту генерируемых колебаний.
Для примера рассмотрим схему генератора, в котором в качестве цепи положительной обратной связи используется мост Вина, представленную на рис. П11.
Рис. П11. Схема генератора синусоидальных колебаний с мостом Вина
Мост Вина образован последовательным соединением резистора R5 с конденсатором С2 и параллельным соединением резистора R2 с конденсатором С1. Входом цепи положительной обратной связи является выход операционного усилителя, выходом цепи — неинвертирующий вход ОУ. Коэффициент передачи моста Вина β равен отношению выходного напряжения к входному. При изменении частоты β имеет максимум на частоте квазирезонанса f0:
В простейшем случае, при R2 = R5 = R и C1 = С2 = С, имеем
На частоте квазирезонанса коэффициент передачи β равен 1/3, а сдвиг фазы равен нулю. Поэтому благодаря применению неинвертирующего усилителя дополнительного сдвига фазы сигнала не требуется, а коэффициент усиления усилителя должен быть равен или больше трех.
Для поддержания стабильной амплитуды колебаний и отсутствия амплитудного ограничения, что приводит к нелинейным искажениям сигнала, необходимо создать некоторое уменьшение усиления с ростом уровня сигнала на выходе. Для этого применена цепь отрицательной обратной связи, содержащая резисторы R1, R3. R4 и лампочку накаливания EL1. Сопротивление лампочки зависит от протекающего тока и с его ростом увеличивается, что соответствует увеличению коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи и стабилизации амплитуды колебаний. Переменный резистор R4 служит для установки оптимальной глубины отрицательной обратной связи.
Схема генератора с мостом Вина очень удобна, если требуется генератор, частоту которого нужно изменять вручную в широких пределах. Для этого используют двухсекционный агрегат конденсаторов переменной емкости. Если применить такой агрегат с минимальной емкостью 10 пФ и максимальной 250 пФ, легко получить их отношение равное 10, подключив к С1 и С2 постоянные конденсаторы по 16 пФ. При этом максимальная частота окажется ровно в 10 раз больше минимальной. Для перекрытия всего диапазона звуковых частот понадобится три поддиапазона с коммутацией резисторов R2 и R5.
Еще один генератор синусоидального сигнала может быть собран на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом, схема которого приведена на рис. П12.
Рис. П12. Схема генератора синусоидальных колебаний с двойным Т-образным мостом
В этой схеме двойной Т-образный мост образован резисторами R3-R5 и конденсаторами С1-С3. Отличие двойного Т-моста от моста Вина состоит в том, что на частоте квазирезонанса его сопротивление оказывается бесконечно велико, а коэффициент передачи β — равен нулю. Поэтому построение схемы генератора отличается тем, что двойной Т-образный мост включают в цепь отрицательной обратной связи. Именно на частоте квазирезонанса, когда отрицательная обратная связь отсутствует, создаются условия баланса амплитуд и происходит генерация, а сигналы других частот этой связью подавляются. Резисторы R1 и R2 образуют положительную обратную связь, не зависящую от частоты. Также на частоте квазирезонанса сдвиг фазы сигнала, проходящего через мост, равен нулю. Частота квазирезонанса определяется той же формулой (П7), что и для моста Вина. Однако для этого должны выполняться следующие условия:
Использовать генератор с двойным Т-образным мостом в таких схемах, где частота должна регулироваться вручную, затруднительно. Хотя имеются трехсекционные агрегаты конденсаторов переменной емкости, но у них все три секции имеют одинаковую емкость. Пригодны лишь агрегаты, содержащие четыре секции конденсаторов переменной емкости, при использовании которых две секции соединяют параллельно.
Но такие агрегаты встречаются крайне редко. Поэтому генератор с двойным Т-образным мостом допустимо использовать лишь в качестве источника фиксированной частоты, хотя по сравнению с генератором на мосте Вина он обладает следующими недостатками:
• эквивалентная добротность примерно в 1,3 раза меньше;
• уровень второй гармоники в 4 раза больше;
• повышенное количество навесных деталей.
В следующем выпуске нашего сборника будут рассмотрены активные частотные фильтры, собранные на операционных усилителях.
Литература
1. Андерсон И. Первый радиоприемник. // Радиолюбитель. — 1966. - № 6. — С. 10–11.
2. Андерсон И. Первый радиоприемник. // Радиолюбитель. — 1966. - № 7. — С. 10–11.
3. Поляков В. Громкоговорящий детекторный приемник. // Радио. — 2000. - № 7. — С. 22–23.
4. Борноволоков Э. Простейший миноискатель. // Радио. — 1968. - № 8. — С. 24–25.
5. Гордеев В. Транзисторный искатель. // Радио. — 1981. - № 4. — С. 54–55.
6. Борисов А. Искатель скрытой проводки. // Радио. — 1991. -*№ 8. — С. 77–78.
7. Простой металлоискатель. // Радио. — 1985. - № 2. — С. 61.
8. Электронный искатель. // Радио. — 1970. - № 2. — С. 59–60; Радио. — 1971. - № 9. — С. 62.
9. Высокочувствительный металлоискатель. // Радио. — 1971.-№ 10.-С. 59.
10. Найдите «мину». // Радио. — 1998. - № 7. — С. 33–34.
11. Иванов Б. Электронная «мина». // Радио. — 1986. - № 9. — С. 52.
12. Андрушкевич В. Игровой автомат «Ринт». // Радио. — 1992. - № 5. — С. 54–55.
13. Белоусов А. Игровой автомат. // Радио. — 1985. - № 5. — С. 49–50.
14. Табунщиков В. Зажигалка для газа. // Радиолюбитель. — 1993. - № 10. — С. 19.
15. Харьяков В. Электронная «спичка» для газовой плиты. // Радио. — 1994. - № 5. _ с. 32–33.
16. Вилков В. Зажигалка для газа. // Радиолюбитель. -1993. - № 1.-С. 26.
17. Фомин В. Электрозажигалка-пистолет. // Радио. -1992. - № 11.-С. 13.
18. Калентьев Ю. Зажигалка для газа из 10 деталей. // Радиолюбитель. — 1991. - № 2. — С. 15–16.
19. Иванов С. Прибор для проверки транзисторов. // Радио. — 1970. - № 3. — С. 44.
20. Пробник для транзисторов. // Радио. — 1979. - № 1. — С. 61.
21. Прибор для подбора пар транзисторов. // Радио. — 1973. - № 5. — С. 60.
22. Радушнов Ю. Простой испытатель транзисторов. // Радио. — 1984. - № 3. — С. 55.
